The role of the synaptic plasticity gene NRN1 in schizophrenia: integrating molecular and neuroimaging approaches

Abstract

[eng] Schizophrenia, a psychiatric disorder affecting 24 million people worldwide, continues to present significant challenges despite notable progress in understanding its etiology. While advancements have been made, the fundamental pathophysiological mechanisms, molecular diagnostics, and precise biomarkers remain unclear. Consequently, ongoing psychiatric research must focus on unraveling the complex biological foundations of the disorder. A deeper understanding is crucial for identifying more appropriate diagnostic categories and developing innovative therapeutic strategies to improve the quality of life for individuals affected by schizophrenia. Currently, the leading etiological hypothesis suggests that schizophrenia arises from a complex interaction between genetic and environmental factors, which disrupt the processes governing brain development and maturation. From birth to adulthood, brain development depends on synaptic plasticity, the process by which neurons modify their connections in response to external signals, refining synapses and creating neural circuits. Accordingly, impaired synaptic plasticity is thought to play a pivotal role in the pathophysiology of schizophrenia, a notion strongly supported by evidence from multiple disciplines. Among the genes that play crucial roles in both development and adulthood by mediating synaptic plasticity, Neuritin-1 (NRN1) stands out. Prior to this thesis, extensive research using cell and animal models had explored the functions of NRN1 in the brain. In summary, NRN1 regulates apoptosis in proliferative neurons, promotes neuronal migration and synaptic maturation, modulates neurite outgrowth during differentiation, stimulates dendritic arbor growth, stabilizes active synapses, and as previously mentioned, supports synaptic plasticity. Additionally, several studies have highlighted NRN1's neuroprotective effects, its role in enhancing cognitive performance, and its sensitivity to neurotherapeutic agents through epigenetic mechanisms. This body of evidence suggests that NRN1 could be a promising target for developing therapeutic strategies for schizophrenia, as modulating its expression may positively impact brain functioning and, therefore, behavior and patient outcomes. However, despite these promising findings, human research on the role of NRN1 in schizophrenia remained limited, with only two previous studies examining its impact on schizophrenia risk, age at onset, and intelligence quotient. Given its potential importance, we focused on NRN1 as a key synaptic plasticity gene in schizophrenia, aiming to deepen our understanding of how this mechanism contributes to the disorder and how such knowledge could enhance patient care. To achieve this, we adopted a multilevel approach incorporating various layers of NRN1 molecular diversity. This strategy resulted in four articles that examined the association of NRN1 with age at onset, clinical and neuroimaging traits of schizophrenia, its interactions with related

genes, its expression and methylation in post-mortem brain samples from schizophrenia patients, and its methylation changes in response to cognitive therapy. Overall, our results validate the efficacy of a multifaceted methodology in uncovering the role of candidate genes in modulating schizophrenia presentation. Specifically, we identified NRN1 genetic variants associated with an increased risk for early-onset schizophrenia-spectrum disorders, with carriers exhibiting altered dorsolateral prefrontal cortex activity during a working memory task. Additionally, epistatic interactions between NRN1, BDNF-rs6265, and CACNA1C-rs1006737 significantly modulated clinical severity and neuroanatomical features, with the interaction between NRN1 and BDNF in the left lateral orbitofrontal cortex fully mediating the effects on general psychopathology. In post-mortem brain samples, schizophrenia patients treated with clozapine displayed lower NRN1 expression and methylation differences in the prefrontal cortex compared to untreated patients and controls, with these methylation differences correlating with NRN1 expression and influenced by specific genetic variants. Lastly, we demonstrated the clinical applicability of our findings, showing that cognitive remediation therapy is associated with changes in NRN1 peripheral methylation, with increased methylation distinguishing responders from non-responders across cognitive domains, an effect also shaped by NRN1 genetic variability. Globally, the findings presented in this thesis highlight how understanding the role of specific genes involved in synaptic plasticity can not only deepen our insight into the etiology of schizophrenia but also potentially lead to improved patient care. Although studies focusing on candidate genes are constrained by the polygenic nature of the disorder, these studies provide compelling evidence and valuable clinical insights, laying the groundwork for further exploration of these key genes within broader molecular networks. Thus, this thesis serves as a steppingstone in the collective process of building knowledge about the etiology of psychosis, aiming to understand how individual genetic variations influencing neurodevelopment and synaptic plasticity contribute to the underlying causes of schizophrenia.

[cat] L'esquizofrènia, un trastorn psiquiàtric que afecta 24 milions de persones arreu del món, encara presenta grans reptes pel que fa a la comprensió dels seus mecanismes etiològics. Malgrat els avenços en aquest camp, els mecanismes bàsics que la causen, així com el seu diagnòstic molecular i l'ús de biomarcadors precisos, continuen sent poc clars. Per tant, la investigació psiquiàtrica ha de centrar-se a desxifrar els fonaments biològics complexos del trastorn. Això és fonamental per definir millor les categories diagnòstiques i crear noves estratègies terapèutiques que millorin la qualitat de vida de les persones amb esquizofrènia. La principal hipòtesi etiològica suggereix que l’esquizofrènia és el resultat d’una interacció complexa entre factors genètics i ambientals que altera els processos que guien el desenvolupament i la maduració del cervell. Al llarg del desenvolupament, des del naixement fins a l’edat adulta, el cervell depèn de la plasticitat sinàptica, un procés en què les neurones adapten les seves connexions en resposta a estímuls externs, refinant les sinapsis i formant circuits neuronals. Així, es creu que les alteracions en la plasticitat sinàptica són centrals en la fisiopatologia de l’esquizofrènia, una idea fermament recolzada per evidència de diverses disciplines. Entre els gens que tenen un paper crucial en el cervell, tant en el desenvolupament com en l'edat adulta contribuint a la plasticitat sinàptica, destaca especialment Neuritin- 1 (NRN1). Diversos estudis amb models cel·lulars i animals previs a aquesta tesi ja havien explorat les funcions de NRN1 en el cervell. En resum, NRN1 regula l’apoptosi en neurones proliferatives, promou la migració neuronal i la maduració sinàptica, modula el creixement de neurites durant la diferenciació neuronal, estimula el desenvolupament de les dendrites, estabilitza les sinapsis actives i, com ja s’ha esmentat, dona suport a la plasticitat sinàptica. A més, diversos estudis han subratllat els efectes neuroprotectors de NRN1, el seu paper en la millora del rendiment cognitiu i la seva sensibilitat als agents neuroterapèutics mitjançant mecanismes epigenètics. Aquest conjunt d'evidències suggereix que NRN1 podria ser un gen prometedor per al desenvolupament d'estratègies terapèutiques per a l’esquizofrènia, ja que modular la seva expressió podria impactar positivament en el funcionament cerebral i, per tant, en el fenotip dels pacients. Tot i aquestes troballes prometedores, la recerca en humans sobre el paper de NRN1 en l’esquizofrènia era limitada, amb només dos estudis previs que examinaven el seu impacte en el risc d'esquizofrènia, l'edat d'aparició del trastorn i el quocient intel·lectual dels pacients. Atès el seu gran potencial, ens vam centrar en NRN1 com a gen essencial en la plasticitat sinàptica en l’esquizofrènia, amb l’objectiu d’aprofundir en la comprensió de com aquest mecanisme contribueix al trastorn i com aquest coneixement podria millorar l’atenció als pacients. Per aconseguir-ho, vam adoptar un enfocament de múltiples nivells que integra diverses capes d’anàlisi de la diversitat molecular de NRN1. Aquesta estratègia va resultar en quatre articles que examinen l’associació de NRN1 amb l’edat

d’inici de la malaltia, diferents trets clínics i de neuroimatge, les seves interaccions amb gens relacionats, la seva expressió i metilació en mostres cerebrals post-mortem de pacients amb esquizofrènia, i els canvis de metilació en resposta a la teràpia cognitiva en aquests pacients. En general, els nostres resultats validen l'eficàcia d'aquesta metodologia multifacètica per descobrir el paper dels gens candidats en la modulació de la presentació de l’esquizofrènia. En concret, hem identificat variants genètiques de NRN1 associades a un risc més alt de patir trastorns de l'espectre esquizofrènic d'inici precoç, amb portadors que presenten una activitat alterada a l’escorça prefrontal dorsolateral durant una tasca de memòria de treball. També hem observat que les interaccions epistàtiques entre NRN1, BDNF-rs6265 i CACNA1C-rs1006737 modulen de manera significativa la gravetat clínica i les característiques neuroanatòmiques, on la interacció entre NRN1 i BDNF a l'escorça orbitofrontal lateral esquerra media completament els efectes sobre la psicopatologia general. En mostres cerebrals post-mortem, els pacients amb esquizofrènia tractats amb clozapina van mostrar una menor expressió de NRN1 i diferències de metilació a l'escorça prefrontal en comparació amb pacients no tractats i controls, amb aquestes diferències de metilació correlacionades amb l'expressió de NRN1 i influïdes per variants genètiques específiques. Finalment, hem evidenciat la rellevància clínica dels nostres descobriments, demostrant que la teràpia de rehabilitació cognitiva s'associa amb canvis en la metilació perifèrica de NRN1, amb una major metilació diferenciant els pacients que responen dels que no responen en diversos dominis cognitius, un efecte també influït per la variabilitat genètica de NRN1. En conjunt, els resultats presentats en aquesta tesi subratllen com la comprensió del paper de gens específics implicats en la plasticitat sinàptica pot no només aprofundir en el coneixement de l’etiologia de l’esquizofrènia, sinó també obrir vies per a la millora de l’atenció als pacients. Tot i les limitacions dels estudis centrats en gens candidats, derivades de la naturalesa poligènica del trastorn, aquests treballs aporten evidències sòlides i valuoses perspectives clíniques, establint les bases per a una investigació més àmplia d’aquests gens clau dins de xarxes moleculars complexes. Així, aquesta tesi representa una contribució significativa al procés col·lectiu de construcció de coneixement sobre l’etiologia de les psicosis, amb l’objectiu d’entendre com les variacions genètiques que afecten el neurodesenvolupament i la plasticitat sinàptica poden contribuir a les causes subjacents de l’esquizofrènia.